İnsan Döşemeye Karşı

    Neden döşemenin içinden aşağı düşmüyoruz? Bu ciddi sorunun araştırılması, bilim, mühendislik ve tarih ile ilgili pek çok ilginç konuya yol gösterdi.(*)
    Hikâye 1687 yılında, Isaac Newton'un, etki ve tepkinin birbirine eşit ve zıt yönlü olduğunu ileri sürmesi ile başlıyor. 76 kg ağırIlğındaki bir insanın tahta bir döşemenin üzerinde durduğunu düşünelim; bu insan bastığı yere yaklaşık 745 nevtonluk bir kuvvet uygular. Kahramanımızın alt kata düşmemesinin nedeni, döşemenin de tam tamına aynı kuvveti, ayak tabanlarına, yukarı doğru uygulamasıdır. Peki neden döşeme böyle saldırgan davranıyor? Bir tahta parçasının normalde insanları sağa sola itme veya fark edilebilir herhangi bir basınç uygulama gibi bir becerisi yoktur.
    Newton'un ünlü yasasındaki tepki kuvveti, kuramsal olarak bütün maddelerin elastik olmasına, diğer bir deyişle tamamen katı (esnemez) olmamasına dayanıyor. Herhangi bir malzemeye uygulanan bir yük, bir biçim değişikliğine neden olur. Malzeme buna doğal esnekliği ile karşı koyar. Üzerine yük uygulanan nesneyi, yükten önceki durumuna dönmeye yönelten tepki kuvveti, biçim değişikliğinin büyüklüğüne bağlıdır. Döşeme tahtaları, tepki kuvveti yükün uyguladığı kuvvete eşit olana dek esner.
    Sabit yapılar, çok küçük biçim değişikliklerinde büyük tepki kuvvetleri verebilen malzemelerden yapılmalıdır. Bir duvara yaslandığınızda, duvar ancak bir santimetrenin birkaç milyonda biri kadar sıkışır. Oysa örneğin Forth Road Köprüsü'nün (Iskoçya'da Forth Körfezi üzerindeki bir köprü) çelik halatları, köprünün ve taşıt traPığinin yükünü taşırken, sürekli olarak geriliyor ve normal uzunluklarının (yaklaşık 3 km) 3 metre üzerine çıkıyor.
    Yapılar, üretildikleri malzemeler sıkışma (örneğin döşeme tahtaları) veya gerilme (örneğin köprünün çelik halatları) altında olacak biçimde tasarlanabilir. Yaygın olarak kullanılan inşaat malzemelerinden biri olan taş, sıkışmaya dayanıklı ancak gerilmeye dayanıksızdır. Bu nedenle ortaçağ mimarları, katedrallerde ve saraylarda kullandıkları taşların sıkışmalarına, fakat asla gerilmemelelerine dikkat ederlerdi. Taş köprü kemeri bu ilkenin uygulanmasına iyi bir örnektir. Kemeri oluşturan kama şeklindeki (bir tarafı dar diğer tarafı geniş) taşlar, her iki yanlarındaki diğer taşlar ve üstlerindeki moloz ve toprak dolgu yol tarafından sıkıştırılır, dereken sıkıştırmayı sağlamak için, Gotik katedraller çoğunluklu payandalar tarafından desteklenmek zorundaydı; kimi zaman sıkıştırma çok kuvvetli olurdu ve yıkılmayı önlemek için iç duvarların aralarına istinat kemerleri veya ters kemerler yerleştirmek gerekirdi. Kereste gerilmeye çok dayanıklıdır, ancak aynı dayanıklılıkta bağlantılar yapmanın güçlüğü nedeniyle, bu malzemeden geçmişte tam olarak yararlanılamamıştır.
    Eski Yunanlılar kemer yerine kiriş ve sütun kullanmayı tercih ediyordu. Parthenon ve diğer Dor düzeni tapınakları aslında ahşap yapı tekniğinin uygulandığı mermer yapılardır. Mermer gerilmeye karşı fazla dayanıklı olmadığından, iki sütun arasında kullanılan parçaların uzunluğu 2,4 metreyi nadiren aşıyordu. Akropolisin girişinin ise yaklaşık 6 metre genişliğinde olması gerekiyordu. Mimar, mermerde açılan oluklara çimento ile kalın demir çubuklar tutturarak bu sorunu çözmüştü. Sağlamlaştırma konusundaki sonraki denemeler, su sızıntısı ve bunun sonucunda da metalin paslanması nedeniyle çoğunlukla başarısızlıkla sonuçlandı.
    1850'li yıllarda, betonun içine yerleştirilen demirin tehlike yaratacak kadar paslanmadığı keşfedildi. Beton ne yazık ki, gerilme ya da eğilme söz konusu olduğunda zayıf bir malzemedir ve yanlış yüklenirse tehlikeli biçimde çatlama olasılığı yüksektir. Bu sorunun çözümü, destek çubuklarını beton dökülürken gerilme altında tutmaktır. Böylece beton sürekli bir sıkışma altında olur. ön gerilmeli beton 1890'da geliştirildi, ancak yaygın olarak kullanılmaya yeni yeni başlandı.
    Küçük yapılar için kereste mükemmel bir malzemedir. Liflerindekl hücre duvarları, sıkışma altında oldukça kolay parçalanır. Çivi ve vidaların başarılı sonuç vermesinin nedeni budur.
    Büyük yapılarda tasarımcı, yapıya etki eden bütün sıkışma ve gerilme kuvvetlerini her zaman kesin olarak tahmin edemez. Demir, çelik ve betonarme hem sıkışmaya hem de gerilmeye dayanıklı olduklarından çok yararlı malzemelerdir. Ancak ne yazık ki, kırılma veya parçalanma dirençleri, basit ve güvenilir hesapların ortaya koyduğu değerlerin epey altındadır, örneğin kimi zaman çeliğin gerçek dayanıklılığı kuramsal değerin ancak %10'udur. Diğer pek çok yaygın malzeme için söz konusu değer %1'den daha azdır. Aradaki bu fark, ince tel haline getirilmiş bir malzemenin topak halinde olduğundan kat kat daha dayanıklı olması ile açıklanabilir. Cam bir çubuğun gerildiğini düşünelim; gerilme santimetrekareye 17 kN'a ulaştığında çubuk kırılır, oysa çok ince bir cam lifi bu gerilmenin yaklaşık 100 katı fazlasına dayanabilir. Bu konudaki çalışmaların öncülerinden biri olan A. A. Grilfiths, yaklaşık 60 yıl önce, en son noktada, tek bir atom zincirinin ya hesaplamalarla ortaya koyulan dayanıklılığı göstermesi veya hiçbir dayanıklılık göstermemesi gerektiği için, ince liflerin büyük dayanıklılığının o kadar da gizemli bir şey olmadığına dikkat çekti. Asıl soru daha kalın malzemelerin neden bu kadar zayıf olduğudur.
    Bir incin (2,54cm) binde birinden daha ince bir cam lif, hangi dayanıklılık testleri uygulanırsa uygulansın, çelik kadar dayanıklıdır. Bunun nedeni ne ince olması ne de cam olmasıdır. Asıl neden pürüzsüz olmasıdır.
    Çoğu malzemenin dayanıksızlığının nedeni, yapısındaki çatlaklar ve bu çatlakların gerilme altında hızla yayılmasıdır. Bir tuğlanın içi hava boşlukları ile doludur ve dökme demir, ne kadar dikkat edilirse edilsin, hava boşlukları ile aynı etkiyi yaratan pek çok grafit damarı barındırır. Bazı malzemelerde çatlaklar atom boyutunda olabilir. Yapısındaki çatlaklar giderilebilirse her türlü madde çok dayanıklı olabilir. Çıplak gözle bakıldığında üzerinde hiçbir çatlak görülmeyen bir malzeme mikroskopla incelendiğinde birçok çatlağa rastlanır. Kuvvet uygulandığında ince lifler, biçimlerini koruyup yırtılmaz, genellikle eğilirler. Kalın bir cam çubuğun yüzeyi ince bir lif kadar esnek hale getirilebilseydi lif kadar dayanıklı olurdu.
    Kırılgan bir malzemenin, örneğin camın mekanik özellikleri, büyük bir gerilme uygulanmadığı sürece oldukça iyidir. Bir şarap kadehi veya bir ayna, ciddi bir hasarı yoksa sonsuza dek dayanır. Oysa yere düşürdüğünüzde, yüzeylerinde bulunan küçük çatlakların genişleyip patlarcasına yayılmasıyla paramparça olurlar.
    Yine de, çekme gerilmesi yerine sıkışma gerilmesi altında tutularak kırılgan malzemelerden yararlanılabilir. Modern otomobillerin ön camlarında yaygın olarak kullanılan sertleştirilmiş cam bu yönteme bir örnek olarak verilebilir. Yumuşayana kadar ısıtılan ancak erimeyen bir cam tabakası soğuk hava püskürtülerek soğutulur. Cam ısıyı iyi iletmediğinden, başlangıçta tabakanın dış kısmı iç kısmından daha fazla büzülür. Dış kısmın sertleşmesinden sonra, iç kısım büzülmeye devam eder. Soğutma işlemi bittiğinde, dış kısım sıkışma altındayken iç kısım gerilme altındadır. Bu nedenle dış katman, sıradan bir cam tabakasını çatlatacak küçük darbelere dayanabilir. Buna rağmen dış katmanda bir çatlak oluşursa, büyük bir hızla yayılarak, bütün camın binlerce küçük saydam olmayan parçaya ayrılarak kırılmasına yol açar.
    Camdaki gerilme desenleri kutuplanmış (polarılmış) ışık altında görünür hale gelir, özellikle güneş ufuk çizgisine yakınken, bulutsuz bir gökyüzünden gelen ışık kısmen kutuplanmış olduğundan, bu desenler çoğunlukla herhangi bir özel alet olmadan da görülebilir. Camın soğutulması sırasında püskürtülen havanın bir otomobilin ön camında meydana getirdiği ışık ve gölge dalgalanmalarını görmek için doğru açıyla bakmak gerekir.
    Camın pek çok özelliği, kendine has fiziksel yapısı ile ilgilidir. Metaller, atomları düzenli sıralar ve sütunlar halinde olan kristal yapılı katılardır. Metallerin bu özelliği, x-ışını ile yapılan kristalografi (kristal haldeki maddeleri inceleyen bilim dalı) deneyleriyle anlaşılmıştır.
    Sesin frekansı, birbirini izleyen tahtalardan gelen yansımalar arasındaki zaman, güçlendirme için uygun olacak biçimde ayarlanırsa, bir bahçe çitinden bile kimi zaman iyi bir yankı elde edilebilir. Benzer biçimde, bir cismi bir x-ışının önüne yerleştirerek ve ışının nasıl dağıldığını gözleyerek, o cismin atomlarının düzenlenişi konusunda bilgi alınabilir.
    Camın x-ışını ile incelenmesi atomların, beklendiği üzere kristal yapıdaki bir katının atomları gibi düzenli değil, bir sıvının atomları gibi düzensiz bir biçimde sıralandığını ortaya koyuyor. Cam aslında ağdalılığı (akmaya karşı direnci) çok yüksek bir sıvıdır. Çoğu sıvı, donma noktasının birkaç derece altına kadar soğutulduğunda kristalleşir. Cam, az bulunur yükseklikteki ağdalılığı nedeniyle o kadar ağır hareket eder ki, moleküller kendilerini kristalleşme için gereken düzenli modelde düzenleyemezler. Bu nedenle, eriyen cam soğuduğunda, bir katı gibi görünmesine ve bu hissi yaratmasına karşın, sıvı halin bütün özelliklerini korur.
    Eritilmiş şeker biraz hızlı bir biçimde soğutulduğunda, katılaşarak, deneysel amaçlar açısından çok yararlı bir çeşit cama (bildiğimiz karamelaya) dönüşür. Karamelayı dikkatli bir biçimde, yuvaş yavaş eğerek ikiye katlayabilirsiniz, ancak bir çekiçle vurduğunuzda veya bir masanın kenarına çarptığınızda, birdenbire kırılır. Zift ve bazı plastikler de dahil olmak üzere sert maddelerin çoğu, aynı şekilde tepki verir. Bu tür malzemelere yavaş yavaş gerilme uygulandığında, basınç uygulanan noktadan akarak uzaklaştıklarından gerilmeyi azaltırlar; oysa sert bir vuruşun yol açlığı çatlak, plastik akışla dağıtılamayacak kadar çabuk büyür.
    Cam kimi zaman, özellikle de çok eskiyse kristalleşir; yani atomlar kendilerini düzenli bir sıraya sokmak için bol zaman bulmuştur. Kristalleşmiş (veya yarı saydam hale getirilmiş) cam dayanıksızdır, kristal sınırları boyunca kırılma eğilimi gösterir.

(*) J. E. Gordon 1968 The New Science of Strong Materials (Yeni Dayanıklı Malzeme Bilimi) (Harmondsvrorth : Penguin).